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1、 第一章金属材料与热处理 材料力学基本知识应力与应变强度塑性硬度冲击韧度金属学与热处理基本知识承压类特种设备常用材料 1 1概述承压类特种设备对材料要求很高 如高强度 高韧性 优良的耐腐蚀性能及工艺性能等 对材料的较高要求是推动特种设备用材不断发展的基本动力 在承压类特种设备制造业中 金属材料具有其他材料无法替代的地位和作用 1材料力学基础知识 年产1000万吨炼油厂 TITANIC 沉没与船体材料的质量直接有关 1材料力学基础知识 总重量为46 328吨泰坦尼克号于1912年4月15日被冰川撞沉 其遗骸于1985年9月1日被发现 船只已经首尾分离 裂成了两半 船头仍然保持相对完整 而船尾则位
2、于2000英尺之外 已经严重受损变形 在第二次世界大战期间 美国制造的4694艘船只中 发现在970艘船上有1442处裂纹 其中24艘甲板全部横断 一艘船底发生完全断裂 八艘从中腰断为两半 其中四艘沉没 1材料力学基础知识 2007年8月2日 美国明尼苏达州一座跨越密西西比河的大桥坍塌 1材料力学基础知识 金属 通常把元素周期表中具有金属光泽 可塑性 导电性及导热性良好的化学元素成为金属 金属最突出特点易失去电子 形成化合物状态存在 金属材料 指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属性质的材料的统称 纯金属 合金等使用性能 材料在使用过程中所表现的性能 包括力学性能 物理性能和化学性能 工艺性
3、能 材料在加工过程中所表现的性能 包括铸造 锻压 焊接 热处理和切削性能等 1材料力学基础知识 力学性能 材料在一定温度条件和外力作用下 抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能 承压类特种设备材料的常规力学性能指标主要包括强度 硬度 塑性和韧性等 1材料力学基础知识 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化 称为变形 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形 1 1应力与应变 应力 单位面积上试样承受的载荷 这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S0表示 F S0应变 单位长度的伸长量 这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示 l l0应力 应变曲线 曲线
4、形状和拉伸曲线相同 单位不同 1 1应力与应变 强度 是指材料抵抗永久变形或断裂的能力 常用的强度指标有屈服强度 s或 0 2和抗拉强度 b 另外 材料的屈强比 s b 也是反映材料承载能力的一个指标 不同材料具有不同的屈强比 即使是同一种材料 其屈强比也随着材料热处理情况及工作温度的不同而有所变化 采用拉伸试验测定其大小 即将一定尺寸试样夹装在实验机上 通过逐渐施加拉力 直至把试样拉断而得到应力与变形间的关系曲线 大体分为四个阶段 1 2强度 Q235拉伸试样 符合国标 GB T228 2002 1 2强度 线弹性变形阶段 OA 塑性 屈服阶段 BC 强化阶段 CD 局部 颈缩阶段 DE 其
5、中OA 部分为一斜直线 应力与应变呈比例关系 A 点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力 称为比例极限 由于大多数材料的A点和A 点几乎重合在一起 一般不作区分 屈服强度 s 材料发生微量塑性变形时的应力值 条件屈服强度 0 2 材料塑性伸长0 2 时的应力值 抗拉强度 b 材料断裂前所承受的最大应力值 1 2强度 塑性是指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力 常用塑性指标为断后伸长率和断面收缩率 试样被拉断后 标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分率称为断后伸长率 1 3塑性 试样断裂后 断口处横截面积的减少值与原始横截面积的比值称为断面收缩率 用塑性好的材料制造承压类特种设备
6、 可以缓和局部应力的不良影响 有利于压力加工 不易产生脆性断裂 对缺口 伤痕不敏感 并且在发生爆炸时不易产生碎片 作为化工容器用的钢 要求伸长率 不低于10 拉伸试样的颈缩现象 1 3塑性 硬度是指材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力 硬度与强度有一定关系 一般情况下 硬度较高的材料其强度也较高 所以可以通过测试硬度来估算材料强度 此外 硬度较好的材料 耐磨性较好 工程上常用的硬度测试方法有 布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 里氏硬度HL 1 4硬度 注 材料的 b与HB之间的经验关系 对于低碳钢 b MPa 3 6HB对于高碳钢 b MPa 3 4HB对于铸铁 b MPa 1HB或
7、b MPa 0 6 HB 40 布氏硬度HB将直径为D的钢球或硬质合金球 在一定载荷P的作用下压入试样表面 保持一定时间后卸除载荷 所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度 布氏硬度值可通过测量压痕平均直径d查表得到 1 4硬度 压头为淬火钢球时 布氏硬度用符号HBS表示 适用于布氏硬度值在450以下的材料 压头为硬质合金球时 用符号HBW表示 适用于布氏硬度在650以下的材料 布氏硬度的优点 测量误差小 数据稳定 缺点 压痕大 不能用于太薄件 成品件及比压头还硬的材料 适于测量退火 正火 调质钢 铸铁及有色金属的硬度 1 4硬度 1 4硬度 洛氏硬度HR洛氏硬度用符号表示 HR k h1
8、h0 0 002在初载荷和总载荷 初载荷与主载荷之和 的先后作用下 将压头 金刚石圆锥体或钢球 压入试样表面 保持一定时间后卸除主载荷 用测量的残余压痕深度增量计算硬度值 根据压头类型和主载荷不同 分为九个标尺 常用的标尺为A B C HRA用于测量高硬度材料 如硬质合金 表淬层和渗碳层 HRB用于测量低硬度材料 如有色金属和退火 正火钢等 HRC用于测量中等硬度材料 如调质钢 淬火钢等 洛氏硬度的优点 操作简便 压痕小 适用范围广 缺点 测量结果分散度大 1 4硬度 维氏硬度HV将顶部两相对面具有规定角度 136 的正四棱锥体金刚石压头在载荷P的作用下压入试样表面 保持一定时间后卸除载荷 所
9、施加的载荷与压痕表面积的比值即为维氏硬度 维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点 1 4硬度 采用较低的试验力可使维氏试验的压痕非常小 这样就可测出很小区域甚至是金相中不同相的硬度 焊接性能试验中的最高硬度试验 就是用维氏硬度来测量焊缝 熔合线和热影响区的硬度 1 4硬度 里氏硬度HL用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面 用冲头在距离试样表面 处的回弹速度与冲击速度之比计算出的数值就是里氏硬度 里氏硬度计测定的是冲击体在试样表面经试样塑性变形消耗能量后的剩余能量 里氏硬度的计算公式如下 HL 1000 R A式中 HL 里氏硬度符号
10、R 球头的冲击速度 m s A 球头的反弹速度 m s 1 4硬度 里氏硬度计体积小 重量轻 操作简便 在任何方向上均可测试 所以特别适合现场使用 里氏硬度可及时换算成布氏 洛氏 维氏等各种硬度 目前里氏硬度计装有钢和铸钢 合金工具钢 灰铸铁 球墨铸铁 铸铝合金 铜锌合金 铜锡合金 纯铜 不锈铜等9种材料的换算表 1 4硬度 冲击韧度是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特征 韧性常用冲击功Ak和冲击韧度ak表示 ak Ak SN SN 断口处截面积 Ak值或ak值除反映材料的抗冲击性能外 还对材料的一些缺陷很敏感 能灵敏地反映出材料品质 宏观缺陷和显微组织方面的微小变化 而且Ak对
11、材料的脆性转化情况十分敏感 低温冲击试验能检验钢的冷脆性 容器用的钢冲击韧性ak在使用温度下不低于35J cm2 1 5冲击韧度 GB T229 1994 金属夏比缺口冲击试验方法 1 5冲击韧度 夏比冲击试验的缺口形式有U型和V型两种 V型缺口根部半径小 对冲击更敏感 承压类特种设备材料的冲击试验规定试样必须用V形缺口 1 5冲击韧度 材料力学基本知识金属学与热处理基本知识金属的晶体结构铁碳合金相图热处理的一般过程承压类特种设备常用热处理工艺承压类特种设备常用材料 物质由原子组成 原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能 原子 离子 分子之间的结合力称为结合键 它们的具体组合状态称为结构 2
12、 1金属的晶体结构 C60 2 1 1晶体结构的基本概念 1 晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体 常态下金属主要以晶体形式存在 晶体具有各向异性 非晶体是指原子呈无序排列的固体 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化 根本区别 晶体中原子 或分子 在三维空间有规律地周期性重复排列 而非晶体不具备这一特点 2 1金属的晶体结构 2 1 2金属材料的晶体结构1 纯金属的晶体结构金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的 称为金属键 金属原子趋向于紧密排列 具有良好的导热性 导电性 延展性及金属光泽 常见纯金属的晶格类型有体心立方 bcc 面心立方 fcc 和密排六方 hcp 晶格 2 1金
13、属的晶体结构 体心立方晶格常见金属 Fe Fe Cr W Mo V Nb等 2 1金属的晶体结构 2 1金属的晶体结构 面心立方晶格常见金属 Fe Ni Al Cu Pb Au等 2 1金属的晶体结构 2 1金属的晶体结构 密排六方晶格常见金属 Mg Zn Be Cd等 2 1金属的晶体结构 2 1金属的晶体结构 2 实际金属的晶体结构 单晶体与多晶体单晶体 其内部晶格方位完全一致的晶体 多晶体 晶粒 实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同 外形不规则的小晶体组成 这些小晶体称为晶粒 2 1金属的晶体结构 晶界 晶粒之间的交界面 晶粒越细小 晶界面积越大 多晶体 由多晶粒组成的晶体结构 2 1
14、金属的晶体结构 3 晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷 实际金属中存在着大量的晶体缺陷 常见有空位 间隙原子 置代原子和位错 2 1金属的晶体结构 点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷 在原子尺寸大小的缺陷 主要有空位 间隙原子 置换原子三种 a 空位 晶格中某些缺排原子的空结点 b 间隙原子 挤进晶格间隙中的原子 可以是基体金属原子 也可以是外来原子 2 1金属的晶体结构 c 置换原子 取代原来原子位置的外来原子称置换原子 点缺陷破坏了原子的平衡状态 使晶格发生扭曲 称晶格畸变 从而使强度 硬度提高 塑性 韧性下降 2 1金属的晶体结构 2 1金属的晶体结构 不论哪种点缺陷的存在 都会使其附近的
15、原子稍微偏离原结合点位置才能平衡 即造成小区域的晶格畸变 线缺陷 在三维空间的一个方向的尺寸很大 晶粒数量级 另外两个方向尺寸很小的晶体缺陷 其具体形式就是晶体中的位错 位错 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移 滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错 分为刃型位错和螺型位错 2 1金属的晶体结构 2 1金属的晶体结构 刃位错螺位错 2 1 3金属的结晶纯金属的结晶一 结晶的一般过程1 结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团 它们时聚时散 称为晶坯 在T0以下 经一段时间后 即孕育期 一些大尺寸的晶坯将会长大 称为晶核 2
16、 1 3金属的结晶 晶核形成后便向各方向生长 同时又有新的晶核产生 晶核不断形成 不断长大 直到液体完全消失 每个晶核最终长成一个晶粒 两晶粒接触后形成晶界 2 1 3金属的结晶 2 晶核的形成方式形核有两种方式 即均匀形核和非均匀形核 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核 3 晶核的长大方式晶核的长大方式有两种 即均匀长大和树枝状长大 2 1 3金属的结晶 在正温度梯度下 晶体生长以平面状态向前推进 正温度梯度 2 1 3金属的结晶 实际金属结晶主要以树枝状长大 这是由于存在负温度梯度 且晶核棱角处的散热条件好 生长快 先形成一次轴 一次轴又会产生二次轴 树枝间最后被填充 负温度梯度 2 1 3金属的结晶 树枝状长大 2 1 3金属的结晶 铁碳合金 碳钢和铸铁 是工业应用最广的合金 含碳量0 02 2 11 的称钢 2 11 6 69 的称铸铁铁和碳化合物 Fe3C Fe2C FeC 含碳量大于Fe3C成分 6 69 时 无实用价值 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe Fe3C相图 2 2铁碳合金相图 铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的
